Томсонов модел атома

С Википедије, слободне енциклопедије

Томсонов модел атома или модел пудинга са шљивама.
Тренутни модел субатомске структуре укључује густо језгро окружено вероватним „облаком” електрона

Томсонов модел атома или модел пудинга са шљивама је први покушај да се направи модел атома, а постулирао га је Џозеф Џон Томсон 1903.[1][2]

Почетком 20. века научници су спознали да из атома потичу електрони, алфа-честице, па и светлост или фотони, па се дошло до уверења да атоми имају сложену грађу. Отуда је дошла мисао да је потребно да се изглед грађе атома прикаже сликовито или да се постави модел атома.

Према Томсоновом виђењу о грађи атома, атом је позитивно наелектрисана куглица, полупречника око 10-10 метара, с равномерно распоређеним електричним набојем, у којој се налазе негативно наелектрисани електрони, који имају неутралан учинак на просторни позитивни набој те куглице. Претпостављало се да у том моделу атома, електрони осцилују око својих равнотежних положаја, а према класичној електродинамици, електрони који се крећу убрзано, зраче електромагнетске таласе. Томсонов модел атома је престављао атом као хармонијски осцилатор.[3]

Преглед[уреди | уреди извор]

Дуго година је било познато да атоми садрже негативно наелектрисане субатомске честице. Томсон их је назвао „корпускули“ (честице), али су се чешће звали „електрони“, назив који је Џ. Џ. Стони сковао за „елементарну јединичну количину електричне енергије“ 1891. године.[4] Такође је дуго година било познато да атоми немају нето електрични набој. Томсон је сматрао да атоми такође морају да садрже позитивно наелектрисање које поништава негативно наелектрисање његових електрона.[5][6] Томсон је објавио свој предложени модел у издању Пхилосопхицал Магазине из марта 1904. године, водећег британског научног часописа тог времена. По Томсоновом мишљењу:

... атоми елемената састоје се од низа негативно наелектрисаних телашаца затворених у сферу униформног позитивног наелектрисања, ...[7]

Џ.Џ. Томсон је пратио рад Вилијама Томсона који је 1867. написао публикацију у којој је предложио вртложни атом.[8] Џ.Џ. Томсон је напустио своју хипотезу о „магличном атому“ из 1890. године, која се заснивала на теорији вртлога атома, у којој су атоми састављени од нематеријалних вртлога и сугерисао је да постоје сличности између распореда вртлога и периодичне правилности пронађене међу хемијским елементима.[9]‍:44–45 Будући да је био проницљив и практичан научник, Томсон је засновао свој атомски модел на познатим експерименталним доказима тог времена, и заправо је поново следио вођство лорда Келвина пошто је Келвин предложио позитивни атом сфере годину дана раније.[10][11] Џ.Џ. Томсонов предлог заснован на Келвиновом моделу позитивног запреминског наелектрисања одражава природу његовог научног приступа открићу који је био да предложи идеје које ће водити будуће експерименте.

У овом моделу, орбите електрона су биле стабилне према класичној механици, јер када се електрон удаљи од центра позитивно наелектрисане сфере, био је подвргнут већој нето позитивној унутрашњој сили, јер је унутар његове орбите било више позитивног наелектрисања (погледајте Гаусов закон). Електрони су могли слободно да се ротирају у прстеновима који су додатно стабилизовани интеракцијама између електрона, а спектроскопска мерења су требало да узму у обзир енергетске разлике повезане са различитим електронским прстеновима. Томсон је безуспешно покушао да преобликује свој модел како би објаснио неке од главних спектралних линија експериментално познатих за неколико елемената.[12] Још 1897, теоретски физичар Џозеф Лармор је објаснио цепање спектралних линија у магнетном пољу осцилацијом електрона.[13][14] Према стогодишњици Боровог атома у часопису Натуре, Џон Вилијам Николсон је 1912. године први открио да електрони зраче спектралне линије док се спуштају ка језгру и његова теорија је била и нуклеарна и квантна.[15]

Модел пудинга од шљива корисно је водио његовог ученика, Ернеста Радерфорда, да осмисли експерименте за даље истраживање састава атома. Такође, Томсонов модел је био побољшање у односу на претходне моделе соларног система Џозефа Лармора и модела Сатурновог прстена за атомске електроне који је 1904. године изнео Нагаока (након модела Сатурнових прстенова Џејмса Клерка Максвела) јер они нису могли да подрже класичну механику као у соларном моделима система, јер би електрони спирално ушли у језгро, те су одбачени у корист Томпсоновог модела. Међутим, сви претходни атомски модели били су корисни као претходници исправнијег Боровог модела атома налик соларном систему из 1913. на који Бор у свом раду позива да га је у великој мери позајмио од нуклеарног модела Џона Вилијама Николсона из 1912. чији је квантни атомски модел квантизован угаоним замах као х/2π.[16][17][18][19] Боров модел је у почетку био планаран као Нагаока модел, али је Сомерфелд увео елиптичне орбите у годинама 1914-1925 док теорију није срушила модерна квантна механика.

Колоквијални надимак „пудинг од шљива“ убрзо је приписан Томсоновом моделу, јер је дистрибуција електрона у његовом позитивно наелектрисаном делу свемира подсетила многе научнике на суво грожђе, које се тада називало „шљиве“, у уобичајеном енглеском десерту, пудингу од шљива.

Године 1909, Ханс Гајгер и Ернест Марсден извели су експерименте са танким листовима злата. Њихов професор, Ернест Рутхерфорд, очекивао је да ће пронаћи резултате у складу са Томсоновим атомским моделом. Тек 1911. Радерфорд је исправно протумачио резултате експеримента[20][21] који су имплицирали присуство веома малог језгра позитивног наелектрисања у центру сваког атома злата. То је довело до развоја Радерфордовог модела атома. Одмах након што је Радерфорд објавио своје резултате, Антониус Ван ден Брук је интуитивно предложио да је атомски број атома укупан број јединица наелектрисања присутних у његовом језгру. Експерименти Хенрија Мозлија из 1913. (видети Мозлијев закон) пружили су неопходне доказе да подрже Ван ден Бруков предлог. Утврђено је да је ефективно нуклеарно наелектрисање у складу са атомским бројем (Мозли је пронашао само једну јединицу разлике наелектрисања). Овај рад је кулминирао у Боровом моделу атома који је сличан соларном систему (али квантно ограничен) исте године, у којем је језгро које садржи атомски број позитивних наелектрисања окружено једнаким бројем електрона у орбиталним шкољкама. Као што је Томсонов модел водио Радерфордове експерименте, Боров модел је водио Мозлијево истраживање.

Повезани научни проблеми[уреди | уреди извор]

Модел пудинга од шљива са једним електроном је делимично користио физичар Артур Ерих Хас 1910. године да процени нумеричку вредност Планкове константе и Боровог радијуса атома водоника. Хасов рад је проценио ове вредности унатар једног реда величине и претходио је раду Нилса Бора за три године. Треба напоменути да сам Боров модел даје разумна предвиђања једино за атомске и јонске системе са само једним ефективним електроном.

Посебно користан математички проблем везан за модел пудинга од шљива је оптимална расподела једнаких тачкастих наелектрисања на јединичној сфери, назван Томсонов проблем. Томсонов проблем је природна последица модела пудинга од шљива у одсуству његовог уједначеног позитивног позадинског набоја.[22]

Класични електростатички третман електрона ограничених на сферне квантне тачке је такође сличан њиховом третману у моделу пудинга од шљива.[23][24] У овом класичном проблему, квантна тачка је моделована као једноставна диелектрична сфера (уместо уједначене, позитивно наелектрисане сфере као у моделу пудинга од шљива) у којој се налазе слободни или прекомерни електрони. Утврђено је да су електростатичке конфигурације Н-електрона изузетно блиске решењима пронађеним у Томсоновом проблему са електронима који се налазе на истом радијусу унутар диелектричне сфере. Приметно, показало се да уцртана дистрибуција енергије зависне од геометрије има изузетну сличност са дистрибуцијом очекиваних електронских орбитала у природним атомима како је распоређено у периодичној табели елемената.[24] Од великог интереса је да решења Томсоновог проблема показују ову одговарајућу расподелу енергије упоређујући енергију сваког решења Н-електрона са енергијом његовог суседног (Н-1)-електронског решења са једним наелектрисањем у почетку. Међутим, када се третирају у оквиру модела диелектричне сфере, карактеристике дистрибуције су много израженије и пружају већу верност у односу на орбиталне аранжмане електрона у стварним атомима.[25]

Радерфордов модел атома[уреди | уреди извор]

Томсонов модел атома је био на снази све док Ернест Радерфорд, заједно с Хансом Гејгером и Ернестом Марсденом, није извео експеримент с алфа-честицама и златним листићем 1909. и поставио теорију за Радерфордово распршење, на основу које је доказано постојање атомског језгра. Пошто је Радефорд израчунао да је полупречник атомског језгра око 10 000 пута мањи од полупречника атома, он је закључио да атоми нису лоптице с равномерном густином, већ да имају изузетно велику шупљикаву грађу.[26][27]

Радерфордов модел атома или планетарни модел атома је модел атома према којем атом сваког хемијског елемента у неутралном стању се састоји од електрично позитивне атомске језгре, у којој је сконцентрирана готова сва маса атома и одређеног броја електрона, који се окрећу око атомског језгра и чине омотач атома. Укупни негативни електрични набој електрона једнак је позитивном електричном набоју атомског језгра и зато је атом према околини неутралан.[28]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ [1] Архивирано на сајту Wayback Machine (30. децембар 2011) "Povijest fizike", Ivan Supek, 2011.
  2. ^ „Plum Pudding Model”. Universe Today. 27. 8. 2009. Приступљено 19. 12. 2015. 
  3. ^ G. J. Stoney: "Of the "Electron" or Atom of Electricity", [2], journal=Philosophical Magazine, 1984.
  4. ^ O'Hara, J. G. (март 1975). „George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron”. Notes and Records of the Royal Society of London. Royal Society. 29 (2): 265—276. JSTOR 531468. doi:10.1098/rsnr.1975.0018. 
  5. ^ „Discovery of the electron and nucleus (article)”. Khan Academy (на језику: енглески). Khan Academy. Приступљено 9. 2. 2021. 
  6. ^ „4.3: The Nuclear Atom”. Chemistry LibreTexts (на језику: енглески). 4. 4. 2016. Приступљено 9. 2. 2021. 
  7. ^ Thomson, J. J. (март 1904). „On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure” (PDF). Philosophical Magazine. Sixth. 7 (39): 237—265. doi:10.1080/14786440409463107. 
  8. ^ On Vortex Atoms, By Lord Kelvin (Sir William Thomson), Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, Vol. VI, 1867, pp. 94-105. Reprinted in Phil. Mag. Vol. XXXIV, 1867, pp. 15-24.
  9. ^ Kragh, Helge (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century (Reprint изд.). Princeton University Press. ISBN 978-0691095523. 
  10. ^ Models of the Atom, Michael Fowler, University of Virginia https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
  11. ^ Кумар, Мањит, Qуантум Еинстеин, Бохр анд тхе Греат Дебате, ISBN 978-0393339888, 2008.
  12. ^ Models of the Atom, Michael Fowler, University of Virginia https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
  13. ^ Хисториес оф тхе Елецтрон: Тхе Биртх оф Мицропхyсицс едитед бy Јед З. Буцхwалд, Андреw Wарwицк
  14. ^ Лармор, Јосепх (1897), „Он а Дyнамицал Тхеорy оф тхе Елецтриц анд Луминифероус Медиум, Парт 3, Релатионс wитх материал медиа”, Пхилосопхицал Трансацтионс оф тхе Роyал Социетy, 190: 205—300, Бибцоде:1897РСПТА.190..205Л, дои:10.1098/рста.1897.0020 Слободан приступ 
  15. ^ Јохн Хеилброн, “Тхе патх то тхе qуантум атом,” 6 Јуне 2013, Вол 498, НАТУРЕ, 27.
  16. ^ Ј. W. Ницхолсон, Монтх. Нот. Роy. Астр. Соц. лxxии. пп. 49,130, 677, 693, 729 (1912).
  17. ^ Тхе Атомиц Тхеорy оф Јохн Wиллиам Ницхолсон, Русселл МцЦорммацх, Арцхиве фор Хисторy оф Еxацт Сциенцес, Вол. 3, Но. 2 (25.8.1966), пп. 160-184 (25 пагес), Спрингер.
  18. ^ Бохр, Ниелс (1963д), Он тхе Цонститутион оф Атомс анд Молецулес: Паперс оф 1913 репринтед фром тхе Пхилосопхицал Магазине wитх ан Интродуцтион бy L. Росенфелд (Цопенхаген: Мунксгаард Лтд; Неw Yорк: W.А. Бењамин)
  19. ^ Кумар, Мањит, Qуантум Еинстеин, Бохр анд тхе Греат Дебате, ISBN 978-0393339888, 2008.
  20. ^ Angelo, Joseph A. (2004). Nuclear Technology. Greenwood Publishing. стр. 110. ISBN 978-1-57356-336-9. 
  21. ^ Salpeter, Edwin E. (1996). Lakhtakia, Akhlesh, ур. Models and Modelers of Hydrogen. American Journal of Physics. 65. World Scientific. стр. 933—934. Bibcode:1997AmJPh..65..933L. ISBN 978-981-02-2302-1. doi:10.1119/1.18691. 
  22. ^ Levin, Y.; Arenzon, J. J. (2003). „Why charges go to the Surface: A generalized Thomson Problem”. Europhys. Lett. 63 (3): 415—418. Bibcode:2003EL.....63..415L. arXiv:cond-mat/0302524 Слободан приступ. doi:10.1209/epl/i2003-00546-1. 
  23. ^ Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. (1999). „Many-electron artificial atoms”. Phys. Rev. B. 59 (20): 13036—13042. Bibcode:1999PhRvB..5913036B. doi:10.1103/PhysRevB.59.13036. 
  24. ^ а б LaFave, T., Jr. (2013). „Correspondences between the classical electrostatic Thomson problem and atomic electronic structure”. J. Electrostatics. 71 (6): 1029—1035. arXiv:1403.2591 Слободан приступ. doi:10.1016/j.elstat.2013.10.001. 
  25. ^ LaFave, T., Jr. (2014). „Discrete transformations in the Thomson Problem”. J. Electrostatics. 72 (1): 39—43. arXiv:1403.2592 Слободан приступ. doi:10.1016/j.elstat.2013.11.007. 
  26. ^ Joseph A. Angelo: "Nuclear Technology", publisher=Greenwood Publishing, 2004.
  27. ^ Akhlesh Lakhtakia: "Models and Modelers of Hydrogen", publisher=World Scientific, 1996.
  28. ^ Проф. др. сц. Данило Феретић (2011). Увод у нуклеарну енергетику. 

Литература[уреди | уреди извор]

Спољашње везе[уреди | уреди извор]

Томсонов модел атома на Викимедијиној остави.
  • Атомисм бy С. Марк Цохен.
  • Атомиц Тхеорy - детаилед информатион он атомиц тхеорy wитх респецт то елецтронс анд елецтрицитy.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Tomsonov_model_atoma&oldid=27674102”